CN108678083A - 一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱tmd系统 - Google Patents
一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱tmd系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统，所述水箱TMD系统包括:水箱，所述水箱整体抬升脱离从而具有独立的水箱底板；加强底环托盘,所述加强底环托盘设置在所述水箱侧壁处；以及支墩,所述支墩设置在所述水箱与所述加强底环托盘间；其中,所述支墩的竖向调谐频率为式中∑K即为所有所述支墩的竖向总刚度，M为所述水箱的总质量，包括所述水箱和其中冲动水质量之和。针对三代核电厂位于超原设计的高地震风险区。在不改动其核岛上部结构和内部核设施全套的原标准设计前提下，通过本发明提供一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统来达到改善其核岛基础隔震设计的竖向减震效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统(TMD即为Tuned Mass Damper,调谐质量阻尼器)。
背景技术
在高地震风险区，建筑结构基础隔震设计是最常用的抗震技术措施，为了改善基础隔震设计中的效果，Palazzo等将基础隔震结构和TMD结构进行了结合，提出了BIS-TMD(基础隔震+调频质量阻尼器)混合控制的新型结构抗震设计理念。但该做法只是重点考虑水平地震的作用，尚未涉及地震的三向同时作用。
对高地震风险的核电厂，我院认为只有采用核岛基础隔震措施，才是更安全而现实的考虑。我院认为一经采用核岛结构基础隔震设计，核岛土建结构必然有可观的地震位移会带来地下管道破断的不利风险。而事实上在核电厂址发生概率较高的中小地震工况下，三代核电厂原先标准的非基础隔震设计的抗震能力已是可以安全地承受，且更无地下管道破坏的风险。经我院从核电工程设计全局上反复推敲后，终于在2008年首次提出采用基础隔震垫同时配置按一定阈值释放的闭锁装置，这是一种针对核电工程安全的更为完善的基础隔震新方案。这一设想于2009年就成功申请到国家专利(专利号ZL200920167910.3)。它对二代及三代核电厂均可适用。这些闭锁装置完全由地震水平作用自动打开，如把打开阈值选定在原标准设计的抗震能力比OBE稍高的值，它可保证厂址在多发的中小地震下没有地下管道破断的风险发生，也同时作为抗F5级龙卷风装置来阻止期间的核岛隔震结构的水平位移，而在厂址罕遇的大于原SSE的特大地震工况下，闭锁装置非能动地打开，实施核岛的隔震减震，确保了核电厂的安全大局，从而取得了核电工程最佳的安全隔震效果。
2016年我院全面完成了三代非能动核电厂核岛基础隔震设计课题所有的理论分析计算及试验验证，特别是全面完成了核岛基础隔震后所有楼面反应谱的对比。结果显示，对水平楼面谱而言，除1.1Hz以下频段外，隔震后的楼面谱全能被非隔震的计算谱及标准设计的楼面谱所完全包络，好在目前三代非能动核电的所有设备的基频都处在2.0Hz以上。因此，目前按我院专利(ZL 200920167910.3)设计的三代非能动核电厂核岛基础隔震对水平向由原0.3g翻倍成0.6g后按全套的美标核电厂抗震设计标准，是非常有效的。
但对竖向楼面谱对比可发现，0.40g的竖向输入在隔震后的楼面反应普遍不能被0.30g输入的非隔震计算反应谱所包络，也不能被相对较为保守的原标准设计0.30g的竖向楼面设计反应谱在大于7Hz的工程感兴趣频段包络，在尖峰处最大超幅大致为1.5倍(虽然按规范规定对尖峰的超值在频率拓宽后尚可打 0.85折)，但这种超幅毕竟是目前全世界公认的按现有成熟的基础隔震工程技术全出现对竖向是不能减震的设计通病。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统，其特征在于，所述水箱TMD系统包括:
水箱，所述水箱整体抬升脱离从而具有独立的水箱底板；
加强底环托盘,所述加强底环托盘设置在所述水箱侧壁处；以及
支墩,所述支墩设置在所述水箱与所述加强底环托盘间；其中,
所述支墩的竖向调谐频率为
式中∑K即为所有所述支墩的竖向总刚度，M为所述水箱的总质量，包括所述水箱和其中冲动水质量之和。
优选地，所述TMD系统应用于竖向以解决竖向减震。
优选地，所述高地震风险区的地面地震输入值在水平向为0.60g，竖向为 0.40g。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、对高地震风险区，也即相对于目前三代核电厂原先较高的抗震标准设计水平向地面输入为0.25～0.3g，最高达翻倍成0.60g的地区，采用基础隔震设计是目前工程上的唯一选择。但按现有全世界传统成熟的基础隔震设计，它对竖向地震是不能减震的。本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统采用TMD竖向减震的理论概念，首次应用在核电工程的抗震设计中，这样在高地震风险区采用核岛基础隔震BIS的水平减震与采用屋顶水箱的TMD竖向减震，两者各自发挥其最佳效果的混合控制的结构抗震设计理念才是针对核电工程实际需求的最佳作法，这与目前不少学者采用BIS加TMD的混合控制来做对水平向抗震效果的锦上添花想法完全不同。
2、核电厂抗震设计的竖向分量多数取水平向的2/3。但在目前三代核电厂的标准设计中均选用水平向为0.25～0.3g，竖向为0.25～0.3g，说明其竖向的抗震裕度相对较大。因此本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统的地震环境为高地震风险区的地面地震输入值可控制在水平向为0.60g，竖向为0.40g(但不限定)。不过以往传统的核岛基础隔震可解决水平向楼面反应谱被包络，却对竖向不能减震，反而会在某些工程感兴趣的频率出现尖峰超幅1.5 倍左右的弊端(虽然尖峰在拓宽同时还可进行0.85的折减)。目前如按竖向TMD 的最大减震效率取中值的33％来考虑，就可全面实现在不改动原三代核电厂的核岛原先地面输入0.25～0.30g(水平及竖向)的抗震设计的全套标准的前提下，满足核电设计规范的全部需求，彻底改变了过去在采用基础隔震设计的同时去靠复核设备的竖向抗震能力这样的工程设计手段来勉强应付的被动局面。
3、通常工程上应用的TMD技术的质量块是原工程中附加的，而目前本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统的TMD质量块是利用原本就设置在屏蔽厂房(不限定)屋顶的水箱，由于该水箱重达数千吨，从定性形象上原属头顶一盆水看似对抗震极为不利而目前反倒变成能减震的有效武器。
附图说明
图1为本发明提供的一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统的示意图。
1-水箱；
2-加强底环托盘；
3-支墩。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明针对现有技术的不足，提出一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统，其特征在于，所述水箱TMD系统包括:
水箱1，所述水箱整体抬升脱离从而具有独立的水箱底板；
加强底环托盘2,所述加强底环托盘设置在所述水箱侧壁处；以及
支墩3,所述支墩设置在所述水箱1与所述加强底环托盘2间；其中,
所述支墩3的竖向调谐频率为
式中∑K即为所有所述支墩的竖向总刚度，M为所述水箱的总质量，包括所述水箱和其中冲动水质量之和。
具体而言，本发明提供的一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统的目的是针对三代核电厂位于超原设计的高地震风险区(例如最高可达水平向0.60g，竖向0.40g)。在不改动其核岛上部结构和内部核设施全套的原标准设计前提下，利用三代核电厂的屏蔽厂房(或安全壳)屋顶上设置的重达数千吨的冷却水箱，通过单独改变水箱的高度位置所形成的TMD系统来达到改善其核岛基础隔震设计的竖向减震效果。
在核岛结构采用合适的基础隔震设计(例如利用我院的ZL 200920167910.3 专利)的前提下，再附加TMD系统。先得按原水箱的形状及尺寸保持不变，把该水箱整体抬升脱离，使其具有独立的(锥形或环形)水箱底板，然后在屋顶原位的水箱1侧壁处新设置两个加强底环托盘2，再在独立的水箱1与该两圈底环托盘2间设置若干合适的支墩3，即可组成水箱TMD体系。
本发明专利技术关键是选择合适的竖向调谐频率fv，该值主要由所设计水箱支墩的竖向刚度控制：
式中∑K即为所有支墩的竖向总刚度，M为水箱总质量，包括水箱本体和其中冲动水质量之和。
在核电厂抗震设计中，目前对众多核岛内系统工艺设备的抗震能力的提升已非常困难，因此本发明专利的具体目标是针对按比标准设计提高了的厂址地震设计输入所得的核岛各层楼面反应谱均能被原标准设计的楼面反应设计谱所包络。大家清楚，在高地震风险区内的核电厂，采用合适的核岛基础隔震设计几乎是唯一的工程设计选择。但传统的基础隔震技术只针对其水平向地震确实有效，故水平向楼面谱要做到能被包络这并不是太难的事，但普遍对竖向却不能减震这是目前基础隔震设计中的通病，因此即使采用传统的基础隔震，对竖向楼面谱要被包络是极端困难的。为此本发明专利技术强调采用TMD 技术应用于竖向去解决竖向减震。虽然迄今我们未见利用TMD竖向减震的报道，但这完全符合TMD减震机理，本专利指出对竖向调谐频率应选用在竖向楼面谱中竖向的主控频率(在核电厂中有时它不一定是核岛厂房结构的竖向基频)。
优选地，所述TMD系统应用于竖向以解决竖向减震。
优选地，所述高地震风险区的地面地震输入值在水平向为0.60g，竖向为 0.40g。
需要特别注意的是，采用TMD减震技术，使上部结构的地震荷载(加速度) 有效降低，这本是传统TMD减震的共识，可是人们对TMD减震的应用却往往限定在水平向而忽视它在竖向减震上的应用。而实际工程中只有核电厂的抗震设计中非常强调实际地震的三向同时作用，而且本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统的TMD减震却专注利用它的竖向减震机理。并且对三代核电厂本专利所考虑的TMD质量块正是利用重达数千吨的屋顶水箱并不需要附加什么独立的质量块。这样既把该水箱原本对抗震不利而通过我们专利的TMD 体系设计而变成能减震的有利因素，而且对原工程设计只作少许变动，从而也维持了有效的经济性。
对采用本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统的TMD技术的质量块屋顶水箱的竖向减震系数的确定不在本专利重点涉及。而所选定的竖向减震系数，正好是利用原三代核电的抗震设计原先在竖向抗震裕度较大的特点，而在高地震风险区常规考虑的水平向0.60g、竖向0.40g范围内，能够在具体工程上简单合理地可达到的中值减震系数33％范围之内，因此可以不需采用特殊技术措施就直接利用支墩建材本身的合理阻尼值就能实现。
本发明提供的一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD 系统的实施正是我院在从事核电工程抗震设计的实践经验积累中形成的。首先我院是严格执行核电工程的规范要求，能把具体的目标锁定在控制核岛众多核设备设计所需的楼面反应谱被原标准设计的楼面设计反应谱所包络，因而使全套的标准设计可维持不变的大局。其次，只有在高地震风险区的抗震设计中具体执行过对核岛基础的隔震设计后才会发现原先基础隔震在竖向减震上的不足，于是才能顺利提出TMD技术来改善其竖向减震的理念。总之本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统正是立足在核工程设计实践基础上提出的，目前在从事TMD技术研究所未能很好关注的竖向减震领域。
实际上三代核电的基础隔震后竖向楼面谱超幅的情形往往有两个或以上的超幅控制频率。要想有效改善竖向楼面谱的超幅，可把TMD的竖向调谐频率选为两者间中值或不妨优选两者中频率相对较低者作为实选调谐频率，从而取得较大的相位差。但调谐频率的最终确定得视对竖向楼面谱调幅的综合效果较好为准。同时本专利主张应从五组以上的不同时程中,对调谐频率作±5％以上变化的十余组以上变量的平均值作为工程设计的依据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、对高地震风险区，也即相对于目前三代核电厂原先较高的抗震标准设计水平向地面输入为0.25～0.3g，最高达翻倍成0.60g的地区，采用基础隔震设计是目前工程上的唯一选择。但按现有全世界传统成熟的基础隔震设计，它对竖向地震是不能减震的。本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统采用TMD竖向减震的理论概念，首次应用在核电工程的抗震设计中，这样在高地震风险区采用核岛基础隔震BIS的水平减震与采用屋顶水箱的TMD竖向减震，两者各自发挥其最佳效果的混合控制的结构抗震设计理念才是针对核电工程实际需求的最佳作法，这与目前不少学者采用BIS加TMD的混合控制来做对水平向抗震效果的锦上添花想法完全不同。
2、核电厂抗震设计的竖向分量多数取水平向的2/3。但在目前三代核电厂的标准设计中均选用水平向为0.25～0.3g，竖向为0.25～0.3g，说明其竖向的抗震裕度相对较大。因此本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统的地震环境为高地震风险区的地面地震输入值可控制在水平向为0.60g，竖向为0.40g(但不限定)。不过以往传统的核岛基础隔震可解决水平向楼面反应谱被包络，却对竖向不能减震，反而会在某些工程感兴趣的频率出现尖峰超幅1.5 倍左右的弊端(虽然尖峰在拓宽同时还可进行0.85的折减)。目前如按竖向TMD 的最大减震效率取中值的33％来考虑，就可全面实现在不改动原三代核电厂的核岛原先地面输入0.25～0.30g(水平及竖向)的抗震设计的全套标准的前提下，满足核电设计规范的全部需求，彻底改变了过去在采用基础隔震设计的同时去靠复核设备的竖向抗震能力这样的工程设计手段来勉强应付的被动局面。
3、通常工程上应用的TMD技术的质量块是原工程中附加的，而目前本发明提供的一种应用于高地震风险区的水箱TMD系统的TMD质量块是利用原本就设置在屏蔽厂房(不限定)屋顶的水箱，由于该水箱重达数千吨，从定性形象上原属头顶一盆水看似对抗震极为不利而目前反倒变成能减震的有效武器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统，其特征在于，所述水箱TMD系统包括:
水箱，所述水箱整体抬升脱离从而具有独立的水箱底板；
加强底环托盘,所述加强底环托盘设置在所述水箱侧壁处；以及
支墩,所述支墩设置在所述水箱与所述加强底环托盘间；其中,
所述支墩的竖向调谐频率为
式中∑K即为所有所述支墩的竖向总刚度，M为所述水箱的总质量，包括所述水箱和其中冲动水质量之和。
2.如权利要求1所述的应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统，其特征在于，所述TMD系统应用于竖向以解决竖向减震。
3.如权利要求1所述的应用于高地震风险区改善隔震设计竖向反应的水箱TMD系统，其特征在于，所述高地震风险区的地面地震输入值在水平向为0.60g，竖向为0.40g。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 29 Hong Cao Road, Xuhui District, Shanghai Applicant after: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.,Ltd. Address before: No. 29 Hong Cao Road, Xuhui District, Shanghai Applicant before: SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH & DESIGN INSTITUTE Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |